Откуда, в самом деле, берется наша с вами собственная столь малая энтропия? Строительный материал для наших тел - это продукты, которые мы едим, и кислород, которым мы дышим. Существует расхожее мнение, что продукты и кислород необходимы нам лишь для получения энергии, но, на самом деле, это верно лишь отчасти.
Потребляемые нами продукты действительно окисляются кислородом, который мы вдыхаем, и это обеспечивает нас энергией. Но большая часть этой энергии снова покидает наши тела, главным образом, в виде тепла, и лишь малая ее часть расходуется непосредственно (1) на рост или поддержание химической и биологической структуры нашего организма, на распространение и обеспечение выживания копий больших или меньших фрагментов нашей ДНК, на распространение и обеспечение выживания наших "мемов" (грубо говоря, больших или меньших «цельных» фрагментов «структуры» нашей "души", "памяти" и т.д. - для человека и других разумных существ с развитой культурой) и на строительство и производство всей цивилизационной инфраструктуры (техносферы).
Поскольку энергия сохраняется, и поскольку реальное энергетическое состояние наших тел остается более или менее неизменным на протяжении всей нашей взрослой жизни, то нет никакой необходимости и увеличивать его. Нам вполне достаточно той энергии, которая содержится в наших телах в настоящий момент. Иногда мы, действительно, наращиваем собственное энергетическое содержание, когда растем или просто наращиваем вес - но это, как правило, совсем нежелательно. Тем не менее, нам действительно необходимо пополнять энергию, которую мы постоянно теряем в виде тепла. Несомненно, чем более мы "энергичны", тем большее количество энергии мы теряем таким образом. Вся эта энергия должна быть восстановлена. Тепло - это самая неупорядоченная, т.е. самая высокоэнтропийная форма энергии в ряду остальных. Мы потребляем энергию в низкоэнтропийной форме (продукты и кислород), а выделяем ее (в основном, за исключением продуктов деятельности (1)) в форме высокоэнтропийной (тепло, углекислый газ, экскременты).
Нам не нужно как-то вылавливать энергию из окружающей среды, так как энергия сохраняется. Но мы непрерывно боремся со вторым началом термодинамики. Энтропия не постоянна - она все время растет. Для поддержания нашей жизни нам нужно сохранять тот низкий уровень энтропии, который имеется внутри нас. Это нам удается благодаря потреблению низкоэнтропийной комбинации продуктов и атмосферного кислорода, их взаимодействию в наших телах и выделению энергии, которую иначе мы бы усвоили, в высокоэнтропийной форме. Таким образом, мы можем предохранять энтропию наших тел от возрастания и можем поддерживать и даже совершенствовать свою внутреннюю организацию.
А откуда берется этот запас низкой энтропии? Если речь идет о мясе (или грибах!), то эти продукты, как и мы сами, должны были использовать внешние низкоэнтропийные источники следующего уровня, для обеспечения и поддержания своей низкоэнтропийной структуры. Это только переводит вопрос об источнике внешней низкой энтропии на что то еще. Предположим теперь, что мы (или животные, или грибы), потребляем растения. Все мы, на самом деле должны быть чрезвычайно благодарны растениям, сине-зеленым водорослям и т.д. - прямо или косвенно - за их замечательную способность потреблять атмосферный углекислый газ, разделять углерод и кислород и использовать углерод в качестве строительного материала для своих организмов. Этот процесс, называемый фотосинтезом, приводит к сильному понижению энтропии. Мы сами используем это низкоэнтропийное разделение, в конечном счете, просто соединяя кислород и углерод внутри наших тел. Каким же образом зеленые растения совершают подобное чудо? они используют солнечный свет. Этот свет переносит энергию с солнца на Землю в сравнительно низкоэнтропийной форме - в основном в виде фотонов видимого света.
Земля, включая, всю биосферу и человеческую цивилизацию, не задерживает эту энергию надолго, а почти целиком переизлучает ее обратно в окружающее пространство. Однако эта переизлученная энергия находится уже в высокоэнтропийной форме, а именно, в виде так называемого "радиационного тепла", т.е. инфракрасных фотонов. В противоположность общепринятому мнению, Земля вместе с ее обитателями не получает энергии от Солнца! Вся роль Земли (разница здесь будет обуславливаться лишь энергией, ушедшей непосредственно на производство продуктов деятельности (1)) здесь сводится к тому, чтобы принять энергию в низкоэнтропийной форме, а затем рассеять ее обратно в окружающее пространство, но уже как энергию с высокой энтропией. Таким образом, солнце служит для нас мощным источником низкой энтропии. Мы, благодаря упомянутой замечательной способности растений, это используем, выделяя для своих целей некоторую небольшую ее часть и преобразуя ее в удивительные по своей сложности структуры наших организмов и т.п. Давайте теперь в общих чертах рассмотрим, что происходит с энергией и энтропией относительно Солнца и Земли. Солнце излучает энергию в виде фотонов видимого диапазона длин волн. Часть из них поглощается Землей, а часть переизлучается в виде фотонов инфракрасного диапазона. Решающее значение здесь имеет тот факт, что видимые фотоны имеют большую частоту, чем инфракрасные, и, соответственно, большую энергию, приходящуюся на одну частицу (E=hv). Так как одиночный видимый фотон обладает большей энергией, чем одиночный инфракрасный, то видимых фотонов, падающих на землю, должно быть меньше, чем инфракрасных, испускаемых Землей, причем ровно настолько, чтобы соблюдался баланс между падающей и излученной энергиями. А значит, энергия, переизлучаемая Землей в окружающее пространство, распределяется по гораздо большему числу степеней свободы, чем энергия, получаемая Землей от Солнца. Из-за этого большого числа задействованных степеней свободы соответствующий обьем в фазовом пространстве электромагнитного поля также оказывается значительно большим у переизлученных фотонов по сравнению с фазовым объемом падающих и, следовательно, энтропия системы фотонов после переизлучения существенно возрастает.
И все это возможно благодаря тому, что Солнце - это горячее пятно на небе! Дело в том, что небо находится в термодинамически неравновесном состоянии: один его небольшой участок, а именно тот, который занимает и Солнце, имеет температуру, намного превышающую температуру оставшейся его части. Благодаря этому мы и оказываемся обеспечены мощным источником низкой энтропии. Земля получает энергию от этого горячего пятна в низкоэнтропийной форме (мало фотонов), а переизлучает ее в холодные области неба в высокоэнтропийной форме (много фотонов).
А почему солнце является этим горячим пятном? Каким образом оно приобрело столь высокую температуру и затем могло поддерживать низкоэнтропийные состояния других систем? Ответ заключается в том, что изначально оно образовалось из однородного газового облака (главным образом водородного) посредством гравитационного сжатия. В ходе этого процесса, еще на ранних стадиях своего образования, Солнце разогрелось. Оно продолжило бы и дальше сжиматься и разогреваться, если бы, при некоторых определенных давлении и температуре, в игру не вступил другой источник энергии негравитационной природы, а именно, термоядерные реакции: слияние ядер водорода в ядра гелия с выделением энергии. Без термоядерных реакций Солнце было бы намного горячее и меньше, чем сейчас, оставаясь таким до самого момента своей звездной смерти. Термоядерные реакции не дали солнцу стать слишком горячим, приостановив его дальнейшее сжатие и стабилизировав температуру Солнца на том уровне, который оказался вполне пригоден для нашей жизни, одновременно продлив при этом период его свечения.
Во внутризвездных процессах слияния легких ядер (например, водорода) в более тяжелые (например, гелий - или в конечный продукт - железо) энтропия возрастает. Важно отметить, что хотя термоядерные реакции и играют важную роль в происхождении и установлении количественных характеристик солнечного излучения, именно гравитация является здесь решающим фактором. Возможность увеличения энтропии таким способом возникает только благодаря тому, что гравитация собрала ядра вместе, вдали от того гораздо большего числа фотонов, которые рассеялись по всему пространству и в настоящий момент образуют реликтовое излучение. Это излучение заключает в себе существенно большую энергию, чем та, которая содержится в веществе звезд и, если бы было возможно собрать это излучение и поместить его обратно в вещество звезд, то оно разложило бы большую часть тяжелых ядер на составляющие их более легкие ядра! Следовательно, прирост энтропии в процессе термоядерного синтеза возможен лишь благодаря концентрирующему действию гравитации. Как мы увидим далее, гравитационные запасы энтропии оказываются неизмеримо более мощными и существенно превосходят как энтропию термоядерного синтеза, так и энтропию фонового излучения.
Без гравитации Солнце не могло бы существовать! Оно продолжало бы светить и без термоядерных реакций, но без гравитации оно не светило бы вообще, поскольку именно гравитационное взаимодействие связывает вещество Солнца и обеспечивает необходимые температуру и давление. Без гравитации вместо Солнца мы имели бы холодный и рассеянный газ - такой же "мертвый", как и остальное космическое пространство вокруг нас.
Нам осталось обсудить вопрос об источнике низкой энтропии других видов "природного" топлива на Земле; но суть и в этом случае остается прежней. В соответствии с общепринятыми взглядами, вся нефть (и природный газ) образовались из доисторической растительности. И снова растения оказываются источником низкой энтропии. Поскольку доисторическая растительность имела благодаря Солнцу низкую энтропию, то мы опять возвращаемся к гравитации, которая формирует солнце из рассеянного газа.
А что можно сказать по поводу низкоэнтропийной ядерной энергии изотопа урана-235, который используется в ядерных реакторах? Она имеет своим источником не само Солнце, а какие-то другие звезды, которые взорвались много миллиардов лет назад во время вспышек сверхновых. В действительности, этот материал образовался в результате большого числа таких вспышек. Он рассеялся в пространстве после взрыва, часть его случайно соединилась (под воздействием Солнца) и обеспечила Землю тяжелыми элементами, включая и весь запас урана-235 на ней. Каждое ядро урана, с его низкоэнтропийным запасом энергии, возникло в результате грандиозных ядерных процессов, происходивших во время вспышек сверхновых. При этом, однако, благодаря гравитационному сжатию, в целом в этих вспышках произошел коллосальный выигрыш в энтропии, заключенный в ядрах оставшихся нейтронных звезд, несмотря на "низкоэнтропийность" отдельных "продуктов" вспышек сверхновых (вроде урана-235).
Таким образом, напрашивается вывод, что вся (по крайней мере, подавляющая часть) та удивительно низкая энтропия, которую мы обнаруживаем вокруг себя - и которая составляет наиболее загадочную сторону второго начала термодинамики - должна быть приписана тому, что огромный выигрыш в энтропии может быть получен в процессе гравитационного сжатия рассеянного газа в звезды. А откуда взялся весь этот рассеянный газ? Здесь для нас важно, что в самом начале этот газ был рассеянным, благодаря чему человечество было обеспечено огромным запасом низкой энтропии, которого нам хватало до сих пор и хватит еще на продолжительный период в будущем.
Именно возможность собирания этого газа в сгустки и дала нам второе начало термодинамики. Более того, эти сгустки не просто послужили основанием второго начала, но дали нечто намного более точное и определенное, чем простое утверждение: "энтропия Вселенной вначале была очень низкой". Ведь энтропия могла быть дана нам низкой и многими другими способами, например, в ранней вселенной мог бы иметь место космологический "явный порядок" совсем другого рода, чем тот, с которым мы сталкиваемся в действительности. На самом деле, мы наблюдаем, что энтропия Вселенной, даже если мы берем момент ПОСЛЕ Большого взрыва и после инфляции, была НЕВООБРАЗИМО низкой с гравитационной точки зрения.
Откуда взялся этот рассеянный газ? Он возник из того "протошара", которым, собственно и являлся "Большой взрыв", чем бы он в действительности не был. Второе начало термодинамики в той детальной форме, в которой оно дошло до нас, обязано своим существованием факту удивительно равномерного распределения этого газа в пространстве после того, как стали возможными процессы гравитационной конденсации, повышающие полную энтропию. Вселенная, несмотря на взрывообразный характер своего рождения, была в высокой степени однородной на многих возможных масштабах, на своих самых ранних стадиях развития.
Проделав это путешествие, мы лучше поняли наше место во Вселенной. Любые формы жизни во Вселенной, в том числе и разумные, появились и появляются во Вселенной спонтанно - как часть общей тенденции процессов роста энтропии - как некий самозародившийся инструмент Вселенной для преобразования собственных низкоэнтропийных структур в более высокоэнтропийные. Существенно меньшая часть энергии, выделяющейся при этом процессе, уходит на поддержание целостности живой структуры, структуры разума, и ее развитие (выживание, рост и т.д.), строительство физических и если возможно ментальных копий этой живой структуры (размножение, обеспечение трансляции «структуры» души, обеспечение выживания и развития "меметических" комплексов и т.п.), их распространение во Вселенной (колонизация других континентов, планет, миров, культурная и научная экспансия и т.п.)
Как мы знаем, к.п.д. извлечения полезной энергии в любых процессах преобразования низкоэнтропийных источников в более высокоэнтропийные всегда (или даже если не всегда, но в бесконечно подавляющем числе случаев) меньше 100%.
Таким образом, мы никак не можем, используя низкоэнтропийные структуры, построить большее или хотя бы эквивалентное количество других низкоэнтропийных структур (наших копий), т.к. для обратного преобразования высокоэнтропийных структур в низкоэнтропийные, к.п.д которого меньше 100%, требуется полезное приложение энергии, для получения которой потребуются новые низкоэнтропийные источники, и к.п.д. получения которой, как уже указывалось, также меньше 100%.
Омары
4 апреля 2009 в 19:12
Они никогда не ели. Они никогда не пили. Каждые пять лет они, словно змеи, «меняли кожу», подвергая свою оболочку очистке от гнусно воняющей накипи разнообразных бактерий, в великом множестве разводившихся в ровном влажном тепле под этой оболочкой. Они не знали страха. Они были самодовольными анархистами. Самым большим удовольствием для них было сидеть, приклеившись к каркасу корабля, устремив свои многократно усиленные и обострённые чувства в глубины космоса, наблюдая звезды в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах или следя за тем, как ползут по поверхности Солнца солнечные пятна. Они могли подолгу просто ничего не делать, часами впитывая сквозь свою оболочку солнечную энергию, прислушиваясь к музыкальному тиканью пульсаров или к звенящим песням радиационных поясов. В них не было ничего злого, но не было и ничего человеческого. Далёкие и ледяные, словно кометы, они казались порождением самого вакуума. Мне казалось, что в Них можно предугадать первые признаки пятого пригожинского скачка, за которым лежит пятый уровень сложности, отстоящий от человеческого интеллекта еще дальше, чем интеллект отстоит от амеб, размножающихся простым делением, дальше, чем жизнь отстоит от косной материи.
